Unser Universum ist ungefähr 13,8 Milliarden Jahre alt. Während dieses riesigen Zeitraums haben kleine anfängliche Asymmetrien zu den großen Strukturen geführt, die wir heute durch Teleskope sehen können: Galaxien wie unsere Milchstraße, Galaxienhaufen und größere Materiegruppen und Filamente aus Gas und Staub. Die Geschwindigkeit dieses Wachstums hängt vom Wettbewerb der natürlichen Kräfte ab: Kann die dunkle Materie, die alles mit ihrer Schwerkraft zusammenhält und zusätzliche Materie anzieht, das Gleichgewicht gegen die dunkle Energie halten, die das Universum weiter auseinander treibt? Präzise Messungen von Strukturen am Himmel ermöglichen es uns, diesen Kampf zu beobachten, betont der LMU-Astrophysiker Daniel Grün. Hier kommen Teleskopbeobachtungsprojekte ins Spiel, die große Teile des Himmels genau erfassen. Zum Beispiel gibt es die Dark Energy Survey mit dem Blanco-Teleskop in Chile und den kürzlich gestarteten Euclid-Satelliten. LMU-Wissenschaftler sind seit Jahren an beiden Projekten beteiligt.

Der bisher größte analysierte Datensatz
Obwohl die genaue Bestimmung der Entfernung einzelner Strukturen und Galaxien von uns nicht immer einfach ist, ist sie äußerst wichtig. Je weiter die Galaxie entfernt ist, desto länger hat das Licht zu uns gereist, und desto älter ist das Bild des Universums, das ihre Beobachtung enthüllt. Die beobachtete Farbe der Galaxie, gemessen von Teleskopen wie Blanco oder Satelliten wie Euclid, liefert entscheidende Informationen. Eine neue Studie eines Teams unter der Leitung von Jamie McCullough und Daniel Grün, veröffentlicht in der Zeitschrift MNRAS, analysierte den bisher größten Datensatz und beleuchtete, was die Farbe verschiedener Galaxien tatsächlich über ihre wahre Entfernung aussagt.

Die Entfernung einer Galaxie kann durch Spektroskopie genau bestimmt werden, indem die Spektrallinien entfernter Galaxien gemessen werden. Da sich das Universum ausdehnt, erscheinen diese Linien bei längeren Wellenlängen, je weiter die Galaxie von uns entfernt ist. Die Lichtwellen entfernter Galaxien dehnen sich auf ihrer langen Reise zu uns aus und verändern die scheinbaren Farben, die von den Instrumenten gemessen werden. Dieser Effekt, bekannt als Rotverschiebung, lässt Galaxien röter erscheinen, als sie tatsächlich sind, ähnlich dem Dopplereffekt beim Geräusch einer Sirene eines Krankenwagens.

Keine zwei Galaxien sind gleich
Jamie McCullough, Doktorandin an der LMU und der Stanford University, nutzte spektroskopische Messungen des Dark Energy Spectroscopic Instruments (DESI) in Kombination mit dem bisher größten Datensatz zur genauen Messung der Farben von Galaxien (KiDS-VIKING) für ihre Analyse. Die Autoren kombinierten spektroskopische Daten aus DESI für 230.000 Galaxien mit den Farben dieser Galaxien in der KiDS-VIKING-Umfrage, um die Beziehung zwischen der Entfernung einer Galaxie von uns und ihrer beobachteten Farbe und Helligkeit zu bestimmen. Keine zwei Galaxien sind gleich, aber für jede Klasse ähnlicher Galaxien gibt es eine spezifische Beziehung zwischen der beobachteten Farbe und der Rotverschiebung. "Durch die Kombination von Entfernungsinformationen mit Messungen der Galaxienformen können wir große Strukturen aus Lichtverzerrungen ableiten," sagt Jamie McCullough. Die Ergebnisse der Studie ermöglichen die statistische Bestimmung der tatsächlichen Entfernung jeder Galaxie, die auf Bildern beobachtet wird, die von Euclid oder der Dark Energy Survey aufgenommen wurden.

Interaktiver Flug durch Millionen von Galaxien
Durch die Analyse der beobachteten Verzerrungen von Galaxienbildern können Wissenschaftler mehr über das Verhalten kosmischer Strukturen heute und vor Milliarden von Jahren erfahren und sie besser verstehen. Dies wird Einblicke in die evolutionäre Geschichte des Universums geben. Um den Verlauf der Strukturbildung im Laufe der Zeit beobachten zu können, genügt es, Strukturen in unterschiedlichen Entfernungen von der Erde zu messen. Nur mit Bildern ist dies fast unmöglich, da die Entfernung einer Galaxie nicht aus ihrem Erscheinungsbild im Bild bestimmt werden kann. Die Studie von Jamie McCullough liefert den Schlüssel zu diesem Problem, indem sie ein Modell für das, was die scheinbare "Farbe" einer Galaxie über ihre Entfernung zu uns aussagt, bereitstellt.

Beobachtung des Kampfes zwischen dunkler Materie und dunkler Energie
Das Hauptziel dieser präzisen Beobachtungen und der Verteilung von Galaxien in unterschiedlichen Entfernungen ist es, Einblicke in den großen Kampf der natürlichen Kräfte der dunklen Materie und der dunklen Energie zu gewinnen. "Um wirklich zu sehen, was passiert, muss man die einzelnen Runden dieses Kampfes beobachten können," sagt Grün. Die dunkle Energie ist bereit, aufzuholen und möglicherweise die Bildung größerer Massenansammlungen im Universum zu stoppen. "Nur dann werden wir verstehen, was dunkle Materie und dunkle Energie wirklich sind und welche letztendlich überwiegen wird."

Neue Einblicke aus der Euclid-Mission
Die Euclid-Mission, geleitet von der ESA, hat kürzlich ihre ersten wissenschaftlichen Bilder veröffentlicht, die die Fähigkeit des Teleskops zeigen, den gesamten Perseus-Galaxienhaufen in einem einzigen Bild zu erfassen. Euclid wird ein Gebiet kartieren, das 30.000 Mal größer ist als dieses Bild, und es ermöglichen, die dunkle Energie zu erforschen, die die Expansion des Universums beschleunigt. Dunkle Materie, die fünfmal häufiger vorkommt als normale Materie, wird kartiert, um ihre Verteilung und ihren Einfluss auf die dunkle Energie durch Euclids 3D-Karte zu untersuchen. Wissenschaftler erwarten, dass diese Mission neue Einblicke in diese großen kosmologischen Rätsel liefert.

Fortschritte im Verständnis der dunklen Energie
Wissenschaftler des DES haben die Supernova-Technik verwendet, um die Geschichte der Expansion des Universums zu bestimmen. Diese Methode verwendet Typ-Ia-Supernovae, die nahezu die gleiche tatsächliche Helligkeit haben, und ermöglicht die genaue Bestimmung relativer Entfernungen. Die DES-Ergebnisse zeigen, dass die dunkle Energie im Laufe der Zeit variieren könnte, was zusätzliche Daten für endgültige Schlussfolgerungen erfordert. Diese Ergebnisse sind entscheidend für das Verständnis der beschleunigten Expansion des Universums und zukünftiger Forschungsprojekte.

Quelle: National Aeronautics and Space Administration